UN NUEVO ESQUEMA DE ANLISIS DE FALLAS MEDIANTE LA MEDICIN DE LA CORRIENTE DE ESTATOR EN MOTORES DE INDUCCIN

Mantenimiento Predictivo en Mquinas de InduccinIng. Guillermo Jimnez Estvez

DIEDepartamento deIngeniera ElctricaEL 67EDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006

Bombas de refino, 800 HP c/u, Radomiro Tomic, CodelcoDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006AgendaTcnicas de mantenimientoMonitoreo en lnea de mquinas de induccinCorriente de estatorPosibles fallas en mquinas de induccinAnlisis de envolventeTransformada HilbertAnlisis espectralWaveletsAnlisis estadsticoUtilidad de monitoreo en lneaTrabajo futuro

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Tcnicas de MantenimientoMantenimientoCorrectivoPreventivoPredictivoDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Tcnicas de MantenimientoMantenimiento predictivoDeterminacin del estado de la mquina en operacin: La tcnica esta basada en el hecho que la mayora de las partes de la mquina darn un tipo de aviso antes de que fallen. (Diagnstico)

TermografaPruebas a la aislacin (Sobretensiones, tan d, descargas parciales)Temperatura Anlisis de vibracionesCorriente de estatorFlujo axial

Monitoreo en lneaDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Tcnicas de MantenimientoMantenimiento predictivo

0.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-8-6-4-202468Stator current (Broken bar)Time [s] [A]DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Monitoreo en LneaCorriente de estatorMediante el monitoreo en lnea de la corriente de estator de motores de induccin con rotor de jaula de ardilla en rgimen permanente se busca detectar tres tipos de fallas:

Rotura de barras en el rotorFallas en rodamientos

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Monitoreo en LneaCorriente de estatorMetodologa desarrollada:

Aplicacin de la Transformada HilbertObtencin de la envolventeAplicacin de la Transformada de Fourier y anlisis espectralReformulacin de las frecuencias tpicas de fallaAplicacin de la Transformada Wavelet y estimacin de umbrales de falla DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Monitoreo en LneaMetodologa a desarrollarIdentificacin de fallasTransformada Hilbert

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Posibles fallas en mquinas de induccinFallas en rodamientosEfectos en el espectro de la corriente:

donde m = 1, 2, 3, ..... y fv es una frecuencia de vibracin caracterstica.

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Posibles fallas en mquinas de induccin Fallas en rodamientos

Corriente de estator de motor con falla en rodamientos.

Espectro terico de frecuencias de motor con falla en rodamientos SimulacionesDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Posibles fallas en mquinas de induccin Rotura de barras

Corriente simulada para un motor con una barra rota. f=50 Hz, s=0.05, 4 polos y 44 barras

Espectro terico de frecuencias de la densidad de Campo B.(Obsrvese las componentes de rotura de barras) SimulacionesDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolventeLa Transformada HilbertAplicacin de la Transformada Hilbert a una seal real x(t) (azul) y(t)=H{x(t)}

Obtencin de la seal analtica

Clculo del mdulo de la seal analtica.

E (t) = Envolvente (rojo)

Seal original y envolvente simuladas para w=2p50, s=0.1

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente La Transformada Hilbert

Envolvente de la Corriente de Estator de un motor de 5,5 HPDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Interpretacin del espectro de frecuencias

A continuacin se observan las caractersticas del anlisis espectral clsico. En este caso se ejemplifica una rotura de barras que se presenta en las frecuencias 502sfFrecuencias de falla 50 2sfFrecuencia fundamental 50HzDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Interpretacin del espectro de frecuencias

Se presenta un desplazamiento del espectro en 50 Hz, 50+2sf 2sfAhora e puede ver el espectro de frecuencias de la envolvente, la frecuencia de falla no se presenta en las frecuencias 502sf, solamente muestra la frecuencia 2sf caracterstica de la fallaFrecuencia de falla 2sfDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Interpretacin del espectro de frecuencias

Debido al desplazamiento observado en los espectros anteriores, y aplicando esta metodologa a otro tipos de fallas y fenmenos se pudo reformular las expresiones para la identificacin de frecuencias tpicas de fallas y otros fenmenos caractersticos de los motores de induccin. Esto se ilustra en las tablas que se muestran a continuacin:Estas nuevas frecuencias se obtienen al restar de la expresin la componente fundamental fDonde,fr es la frecuencia de ranurado y se expresa como:

Con,p= nmero de polosf= frecuencia fundamentalNB= nmero de barrass= deslizamiento

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Interpretacin del espectro de frecuencias

A continuacin se muestra otro caso, en donde se analizan las frecuencias de saturacin y excentricidadDonde,fmec es la frecuencia mecnica y se expresa como:

Con,p= nmero de polosf= frecuencia fundamentalNB= nmero de barrass= deslizamiento

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Una aplicacin prctica

Correa mide aprox. 600 mts. y es accionada por dos motores de 1500 Hp a 2300 V., para el arranque se usa un variador de frecuencia el que luego del arranque queda fuera y los motores conectados directamente desde la red.

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Una aplicacin prctica Anlisis corriente de estator de un motor de 1500 HP, 2.3 kV, 4 polos y 1485 rpm que acciona una correa de 600 m de longitud en faena minera

Espectro de frecuencias para un motor real Espectro de frecuencias para un motor real (Envolvente)

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Una aplicacin prctica De acuerdo a lo observado anteriormente y a lo realizado en las tablas que se mostraron al inicio se calcula la tabla correspondiente para los fenmenos estudiadosObsrvese el desplazamiento de 50 Hz en las frecuencias calculadas

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Metodologa a desarrollar

Transformada WaveletVentana TukeyTransformada HilbertDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente La Transformada Wavelet

Anlisis Multiresolucin (MRA)

Algoritmo de descomposicin MRADependencia de las escalas y la frecuencia de las WaveletsSea s(n) una seal de tiempo discreto obtenida de un ins-trumento de medicin la cual es necesario descomponerla en sus versiones detallada y aproximada por medio del anlisis multiresolucin

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Wavelets y la deteccin de fallas (seal original, laboratorio)CaractersticaMotor con fallaMotor sanoMarcaWEGWEGPotencia [HP]5.55.5Velocidad nominal [rpm]14401425Tension nominal [V]D380380Y660660Corriente nominal [A]D9.38.7Y5.45.01Frecuencia nominal [Hz]5050Clase de aislamientoFFDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Wavelets y la deteccin de fallas (seal original, laboratorio)Descomposicin de niveles MRA para Motor con Falla

NivelRango de Frecuencias [Hz]DesdeHasta150002500225001250312506254625312.55312.5156.256156.2578.12778.1239.06839.0619.53919.539.76109.764.88Fm=10 kHzDescomposicin de niveles MRA para Motor SanoNivelRango de Frecuencias [Hz]DesdeHasta125001250212506253625312.54312.5156.255156.2578.12678.1239.06739.0619.53819.539.7699.764.88104.882.44Fm=5 kHzDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Wavelets y la deteccin de fallas (seal original)

Comparacin de detalles para motor sano y con fallaDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Wavelets y la deteccin de fallas (envolvente de seal)

Coeficientes de detalle para un motor sano y otro con falla.

Envolventes de los coeficientes de detalle en noveno nivel para un motor sano y dcimo nivel con rotura de barrasTransitorioDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis de envolvente Ventana Tukey

Coeficientes de detalleEnvolventeVentana TukeyDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Metodologa a desarrollar

Distribucin WeibullDIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis EstadsticoFuncin Weibull, estimacin de parmetros (laboratorio)Parmetros estadsticos para un motor sano y otro con falla

ParmetroMotor SanoMotor con Fallaa0.36981.0794b1.43612.576VME0.33580.9585s0.23730.3993

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis EstadsticoEstimacin de valores medios esperados y umbrales de falla (laboratorio)

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis EstadsticoFuncin Weibull, estimacin de parmetros, faena mineraParmetros estadsticos para un motor sano y otro con falla

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Anlisis EstadsticoEstimacin de valores medios esperados y umbrales de falla, faena minera

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Verificacin de un nuevo esquema para la deteccin de fallas

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Cual es la utilidad de los sistemas de monitoreo en lnea?

Caso 1: Divisin Radomiro TomicProduccin diaria:830 toneladas

Falla de motor de factor de incidencia 0.50:12 horas

Prdidas en produccin:US$ 328.680

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Cual es la utilidad de los sistemas de monitoreo en lnea?

Caso 2: ECOPETROL-GAMProduccin diaria:10.354 BPD

Falla de motor de factor de incidencia 0.25:24 horas

Prdidas en produccin:US$ 72.500

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Cual es la utilidad de los sistemas de monitoreo en lnea?

Caso 3: Efecto de aplicacin de IGBT

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Trabajo futuroEn el campo del monitoreo en lnea y diagnstico de fallas no se ha dicho la ltima palabra. El nuevo desarrollo de modelos y simulaciones, estimacin de parmetros, diferentes mtodos de monitoreo (variables elctricas, temperatura, ruido, vibraciones) obligan a la continua investigacin y desarrollo del rea.

DIEDepartamento deIngeniera Elctrica 7de Abril de 2006Trabajo futuro

Fuente: Universidad de Manchester

DIEDepartamento deIngeniera ElctricaComponentes de frecuencia para un motor sano

Anlisis Clsico

FrecuenciaAnlisis Envolvente

FrecuenciaCausa

f0Frecuencia de la red

nfr f

nfrDiscretizacin campo magntico y ranurado del rotor.

_1111866232.unknown

Componentes de frecuencia para un motor saturado y excntrico

Anlisis Clsico

FrecuenciaAnlisis Envolvente

FrecuenciaCausa

f0Frecuencia de la red

ffmecfmecExcentricidad Dinmica.

(2n+1)f

2nfSaturacin

frffrRanurado de rotor

frfmecffrfmecRanurado de rotor y excentricidad dinmica

fr(2n+1)ffr2nfRanurado de rotor y saturacin

_1111866328.unknown

Componentes de frecuencia para un motor real.

Anlisis Clsico

Frecuencia [Hz]Anlisis Envolvente

Frecuencia [Hz]Causa

500Frecuencia de la red

150, 250100,200Saturacin

13,8737Excentricidad Dinmica

46,544Rotura de Barras

MInductoresRectificadorFiltro de continuaInversor Continua-AlternaInductoresCablesMotorInvestigacin y desarrollo en ingeniera de mantenimientoMonitoreo distribuido y sensores inteligentesFuentes de alimentacinFusin de datos y procesamiento de sealesVelocidad angular instantneaMotores DieselMotores reciprocantes y compresoresMonitoreo de equipos elctricosMonitoreo de condiciones basado en modelosMonitoreo acsticoInvestigacin y desarrollo en ingeniera de mantenimientoMonitoreo distribuido y sensores inteligentesFuentes de alimentacinFusin de datos y procesamiento de sealesVelocidad angular instantneaMotores DieselMotores reciprocantes y compresoresMonitoreo de equipos elctricosMonitoreo de condiciones basado en modelosMonitoreo acstico